극저온에서 물질의 상태 변화는 어떤 원리에 의해 일어나나요?
물질이 극저온으로 냉각되면 어떤 상태 변화가 일어나는지, 예를 들어 고체로 응고되거나 액체가 고체로 변하는 등의 변화에 대해 알려주세요.
그런 물질의 상태 변화가 일어나는 원리와 그에 대한 과학적 설명 부탁드립니다~
안녕하세요. 류경범 과학전문가입니다.
극저온에서 물질의 상태 변화는 여러 가지 원리에 의해 일어납니다.
먼저, 물질의 상태는 그 물질의 온도와 압력에 따라 결정됩니다. 고체, 액체, 기체는 물질의 세 가지 상태이며, 이러한 변화는 열에너지의 흡수 또는 방출에 의해 일어납니다.
예를 들어, 고체 상태의 물질이 특정한 온도나 압력 조건 하에서 열을 흡수하면 액체 상태로 변화하게 되고 이때 물질 내부의 분자 간 결합이 일시적으로 깨지며, 분자들이 보다 자유로운 형태로 움직일 수 있게 됩니다.
극저온 상태에서는 '초전도 현상'과 '초유동 현상'이 나타납니다'. '초전도'란 최근에 널리 알려진 현상으로 어떤 온도 이하에서는 전기 저항이 0이 되는 현상을 말하며, '초유동'이란 액체의 점성 저항이 0이 되는 현상을 말합니다. 대표적으로 액체 헬륨은 2.2K 즉 약 영하 271도 이하로 냉각시키면 초유동 상태가 됩니다.
이러한 현상들은 극저온에서 나타나는 특이한 현상입니다.
안녕하세요. 김재훈 과학전문가입니다.
물질이 극저온으로 냉각되면, 일반적인 상온에서 나타나는 상태 변화와는 다른 현상이 나타날 수 있습니다. 극저온 상태에서는 물질의 분자나 원자의 운동 에너지가 매우 낮아져서, 분자나 원자 사이의 결합이 매우 강해집니다. 따라서, 극저온 상태에서는 물질이 다음과 같은 상태 변화를 일으킬 수 있습니다.
초유동 : 액체가 점성이 없어지는 현상입니다. 극저온 상태에서는 액체의 분자나 원자의 운동 에너지가 매우 낮아져서, 분자나 원자 사이의 마찰이 거의 없어집니다. 따라서, 액체가 점성이 없어져서 흘러가는 것처럼 보이지 않고, 마치 고체처럼 움직입니다
초전도 : 전기 저항이 완전히 없어지는 현상입니다. 극저온 상태에서는 물질의 전도체에 전류가 흐르면, 전류가 흐르는 경로에 존재하는 원자의 운동 에너지가 감소합니다. 따라서, 전기 저항이 완전히 없어져서 전류가 무한히 흐를 수 있습니다.
초고체 : 초유동과 초전도가 동시에 나타나는 현상입니다. 초고체는 극저온 상태에서 액체와 고체의 특성을 모두 가지고 있습니다.
극저온 상태에서 물질이 나타내는 상태 변화는 다양한 분야에서 활용될 수 있습니다. 초유동은 마찰이 없어서, 마찰을 줄이는 데 사용될 수 있습니다. 초전도는 전기 저항이 없어서, 전력 효율을 높이는 데 사용될 수 있습니다. 초고체는 액체와 고체의 특성을 모두 가지고 있어서, 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있습니다.